机械原理说明书——旋转型灌装机

目录
1.设计题目 (1)
1.1设计要求 (1)
1.3设计内容 (1)
2.原动机的选择 (2)
3.传动机构的选择与比较 (2)
3.1传动机构的选择 (2)
3.2减速机构选择 (3)
4.执行机构的选择比较 (4)
4.1灌装机的功能分解 (4)
4.2送料机构的功能 (4)
4.3定位功能 (7)
4.4夹紧功能 (8)
4.5灌装机构功能设计 (9)
4.6压盖封口功能 (10)
4.7产品输出与传送功能 (12)
5.机械系统运动方案的拟定与比较 (12)
6.所选机构的运动分析与设计 (13)
6.1运动分析 (13)
6.2灌装机构的设计 (14)
6.3间歇运动机构的设计分析 (16)
6.4压盖封口机构的设计 (17)
7.制定机械系统的运动循环图 (20)
7.1运动循环图 (20)
7.2用形态学矩阵法创建旋转型灌装机机械系统运动方案： (20)
8.机构运动简图 (21)
设计总结 (21)
参考文献 (23)
1.设计题目
1.1设计要求
设计旋转型灌装机。

在转动工作台上对包装容器（如玻璃瓶）连续灌装流体（如饮料、酒、冷霜等），转台有多工位停歇，以实现灌装、封口等工序。

为保证在这些工位上能够准确地灌装、封口，应有定位装置。

如下图所示，工位1：输入空瓶；工位2：灌装；工位3：封口；工位4：输出包装好的容器。

图1.1旋转型灌装机工位示意图
1.2原始数据
转台直径/mm 电动机转速(r/min) 灌装速度(r/min)
500 720 10
1.3设计内容
（1）根据给定的原始数据和工艺要求，构思并选定机构方案；
（2）设计上述各机构，根据选定的方案设计各机构（连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等），并进行运动分析；
（3）根据上面求得的尺寸，按比例画出机构的运动简图及运动循环图；计算自由度，拆分杆组，判定机构级别；
（4）编写设计计算说明书。

2.原动机的选择
选用720r/min电动机驱动。

转速较高，需要减速机构降低速度供执行机构使用。

3.传动机构的选择与比较
3.1传动机构的选择
机械的传动机构，是将动力源所提供的运动的方式、方向或速度加以定向的改变，从而被人们有目的地加以利用。

常见的传动机构有带传动、链条传动、齿轮传动、皮带传动，各传动机构的特点和使用场合。

（1）齿轮传动：能够传递任意两轴间的运动和动力，传动平稳，可靠，效率高，寿命长，结构简单经凑，传动速度和功率范围广，可实现较大的传动比。

可应用于减速箱。

（2）带传动：可以缓和冲击和振动;带传动中心距不受限制，只要陪以合适的紧链结构，理论可以很大,适用于两轴中心距较大的传动场合;可放在系统的一级。

（3）锥齿轮传动：锥齿轮主要用于两轴为垂直方向的传动，可改变传动的方向，放在传动系统的末级。

3.2减速机构选择
根据设计要求及上述分析，可以利用所学的行星轮系来实现减速的目的，下面是运动结构图3.1及具体的齿轮参数
图3.1运动机构图
1、2为皮带轮：i12＝2。

3、4、4’为圆柱齿轮:Z3=59, Z4=20 ,Z4'=20,Z5=60
i5H=1-Z4'Z3/(Z4Z5)=1/60
6、7为斜齿圆柱齿轮：Z6=30 Z6=30
i76=Z7/Z6=30/30=1
所以Ⅰ轴转速720r/min,Ⅱ轴转速为480r/min,Ⅲ轴转速为10r/min.
4.执行机构的选择比较
4.1灌装机的功能分解
基于上述设计任务书的要求以及旋转型灌装机的工作原理，为了实现旋转型灌装机的总功能要求，我们将旋转型灌装机要实现的功能分解为如下分功能：（1）容器输入与传送功能；
（2）容器定位功能；
（3）容器夹紧功能；
（4）灌装功能；
（5）封口压盖功能；
（6）产品输出与传送功能。

其功能逻辑图如下图图4.1所示：
图4.1执行机构框架图
4.2送料机构的功能
为了实现工件的输入及传送功能，根据设计的要求，最终决定出了以下两种方案：方案一：如图4.2所示的六杆送料机构，原动件AB连续转动，使DF摆动，通过HG杆的作用使F在HG范围内的往返运动，最终把容器送至工位1，但是这种传送运动冲击大，
容易造成冲击，这对轻质容器、玻璃容器等来说会有损坏的可能，必须避免，再者，这样的机构设计比较复杂，运动分析较繁琐，因此最终没选择这个方案。

图4.2六杆机构
方案二：如图4.3，使用转送带连续的，以一定的速度不断向工作台传送工件，设计好在单位时间内进入工作台的瓶子数量就行了。

使用连续传送能够满足大批量生产，与间隙转送相比传送稳定，震动小，一般不会出现打滑现象，能满足灌装过程安全，可靠进行。

由于担心传送带输送的瓶子不能准确的进入旋转工作台的工位凹槽内，因此设计了图4.4的固定工作台和图4.5挡板。

图4.3传送装置
图4.4固定工作台
图4.5挡板
4.3定位功能
方案一：槽轮机构
如图4.6槽轮机构，结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。

但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起、停时的加速度大，有冲击，并随着转速的增加或槽轮槽数的减少而加剧，故不宜用于高速，多用来实现不需经常调节转位角度的转位运动。

图4.6槽轮机构
方案二：棘轮
如图4.7棘轮机构结构简单，易于制造，运动可靠，从动棘轮转角容易实现有级调整，但棘爪在齿面滑过引起噪声与冲击，在高速时尤为严重。

故常用于低速、轻载的场合，或用于间歇运动控制。

图4.7棘轮
摩擦式棘轮机构传递运动较平稳，无噪音，从动件的转角可作无级调节。

但难以避免打滑现象，因而运动准确性较差，不适合用于精确传递运动的场合。

因为在本方案中，控制间歇运动的机构的转速十分低，需要较大的范围内的从动轮运动时间和静止时间。

所以在这里选择图4.6的槽轮来实现转台的间歇转动。

4.4夹紧功能
根据设计要求，工件在工位2与工位3时，必须有定位夹紧机构，是待加工瓶在工位2与工位3时，能正确进行管制液体和压盖封口的动作。

按照要求设计了如下的装置：方案一：如图4.8所示,该方案采用圆环来实现工件在工位2和工位3处进行灌装和压盖封口的夹紧定位，工作原理是当容器在工位1处被旋转工作台带进时，容器就被圆环夹紧，容器随着旋转工作台的转动而转动，容器一直处于夹紧状态。

但这种夹紧装置有一个不足之处，就是工件在工位间转换时，由于一直处于夹紧状态，有摩擦力的作用，这样会导致工件损坏，甚至影响工作台的正常工作。

故设计最终没有采用这个方案。

图4.8圆环
方案二：装置如图4.9所示，其工作部位（也就是相对与旋转工作台的工位2与工位3）由两个相交的圆所形成的公共部分，其相对于一般的定位夹紧装置的优点在于其夹紧过程是由松到紧，且到达正确的位置为止，这样可以避免由于工作台旋转时由于冲
击的存在，导致的工件损坏甚至造成不必要的损失的现象。

不仅可以正确定位，同时也达到夹紧的效果。

图4.9固定工作
使用固定在工作台上的挡板来定位瓶子，防止转台在运动过程中由于向心力的作用将瓶子甩出工作台，并通过在工位外围加厚挡板使瓶子在每个工位被加紧固定。

靠挡板来实现定位夹紧，他相对其他装置具有许多优点：夹紧每次位置不变，过程稳定不会破坏灌装瓶；只要设计适当就能够保证紧力合适对每次加紧都能掌握好力度，保证了工件在加工过程中的定位的稳定性，又要防止夹紧力过大损伤工件表面或使工件产生过大的夹紧变形；由于夹紧装置是固定不动的，所以操作安全、省力；结构简单，便于制造，维修十分方便等凸出优点。

故最终选用这个方案。

4.5灌装机构功能设计
方案一：采用凸轮机构
如图4.10所示，此方案采用图示的凸轮机构，凸轮的连续转动，升程和回程不断的交替，再由于弹簧的作用，便实现了灌装活塞的上下往复运动。

当凸轮处于回程时，活塞往上运动，此时灌装瓶吸入液体，凸轮继续运动，推动活塞向下运动，此时为升程过程（此过程为等速运动，可以满足灌装等速的要求），此时灌装机构对空瓶进行灌装，如此往复运动就可实现。

图4.10凸轮
方案二：采用连杆机构
如图4.11所示，本方案采用连杆机构来实现灌装功能。

虽然连杆机构制造简单，但是其设计过程复杂，所以最终采用方案一来实现灌装功能。

图4.11连杆机构
4.6压盖封口功能
方案一：采用凸轮机构
如图4.12所示，此方案采用图示的凸轮机构，凸轮的连续转动，升程和回程不断的交替再由于弹簧的作用，便实现了滑块上下压盖。

图4.12凸轮封口
方案二：对心曲柄滑块机构。

下图4.13是所设计的压盖封口机构，该机构为对心曲柄滑块机构，曲柄AB与轴固接，轴的连续转动带动杆AB连续转动，从而带动杆BC上下运动，从而实现压盖封口机构的上下往复运动，转动一个工位就压盖封口一次，继而实现对瓶子的压盖封口动作。

图4.13曲柄滑块封口
通过上述两种方案，方案一凸轮的升程和回程产生的冲击力度不大，不适合压盖。

而方案二的对心曲柄滑块结构简单，冲击力大。

故选用了曲柄滑块机构进行压盖。

4.7产品输出与传送功能
加工后的工件到达工位4以后，有皮带轮，这里考虑到传送带的速度不能
很大，而工位之间的转换有很快，所以在此设计了如下图2.14所示。

容器到达图示工位3，压盖封口结束后，此时挡板将瓶子输往传送带方向推挡，同时容器是随着旋转工作台一起旋转的，在合成力的作用下，容器被带至输出传送带上，进而传送到下个加工工位。

图4.14传送图
5.机械系统运动方案的拟定与比较
根据设计要求，设计出的自动灌装机如下图5.1所示：
图5.1旋转型灌装机总体方案图
1.电动机和轴带轮
2.皮带轮3、4、4'、5齿轮6、7锥齿轮8主动拨
盘9从动槽轮10凸轮灌装机构11曲柄滑块封口压盖机构该旋转型灌装机的工作路线原理：
（1）电机1通过皮带轮传到2，2通过轴传到H，H又传到齿轮4，齿轮4'通过固定的齿轮3转动到5，5带动轴Ⅲ旋转形成行星轮系。

（2）与齿轮5同轴的锥齿轮6以相同角速度转动，轴Ⅲ转动从而使凸轮10转动，凸轮通过滚子，推杆带动活塞上下往复运动，从而实现对容器的灌装。

（3）轴Ⅲ旋转，曲柄11与轴固联，所以曲柄以相同角速度转动，而曲柄与连杆相连，连杆与滑块连接，滑块上下往复运动，实现对容器的封口压盖。

(4)锥齿轮6与锥齿轮啮合而换向，锥齿轮7通过轴Ⅳ传到主动拨盘8，主动拨盘8带动从动槽轮9，从动槽轮9带动轴Ⅴ转动，轴Ⅴ与旋转工作台固接，从而实现旋转工作台的间隙旋转运动。

6.所选机构的运动分析与设计
6.1运动分析
由设计任务书的要求可知：灌装速度是10r/min,则灌装凸轮和封口压盖曲柄的转速也就是10r/min。

由于旋转工作台有4个凹槽，所以旋转工作台转速为2.5r/min，也即从动槽轮的转速也是2.5r/min，因为设计的槽轮有4个径向槽，并且主动拨盘只有1个圆销，所以主动拨盘的转速为10r/min。

6.2灌装机构的设计
根据设计要求及系统方案图，选用如下灌装机构：如图6.1
设定的数值：
（1）容器高度h1为280mm;
（2）活塞运动范围S为48mm;
（3）推杆和活塞总长L为90mm;
（4）滚子直径d=30mm;
（5）容器顶部距离活塞最近距离为12mm;
凸轮：此凸轮用于灌装工位，利用远近休止带动推杆和活塞来实现灌装，设定活塞推杆的最大推程为48mm，凸轮的安装高度为500mm。

以下为凸轮的具体设计过程：
我们设定凸轮的数据如下：
①基圆半径r0=40mm
②滚子半径：rt=15mm
③行程：S=48mm
④推程角：δ0=180°
⑤回程角：δ0=100°
⑥近休止角：δ01=60°
⑦远休止角：δ02=40°
图6.1灌装机构
运动规律的选择，为了减少刚性和柔性冲击，我们在推程和回程选用既无柔性冲击和刚性冲击的简谐运动规律,在远休和近休时选用静止运动规律。

根据以上凸轮的数据我们利用“凸轮机构”软件可以将凸轮的图形设计出来，具体过程：
（1）选择凸轮类型如图6.2
图6.2凸轮类型
（2）设置凸轮参数如图6.3
图6.3凸轮参数
（3）设置凸轮分段参数
为保证凸轮运动过程中减少冲击，我们将参数分别设置为：
10°～60°为近休止运动阶段，升程为0mm，静止运动规律；
260°～240°为推程运动阶段，升程为48mm，摆线运动规律；
240°～280°为远休止运动阶段，升程为0mm，静止运动规律；
280°～360°为回程运动阶段，升程为-48mm，简谐运运动规律。

（4）利用反转法原理设计凸轮的图形如图6.4
图6.4凸轮
6.3间歇运动机构的设计分析
由设计要求可知，自动灌装机要实现自动灌装及压盖封口的动作，需要在不同工位上分别执行者两个动作，间歇运动机构可以实现这个目的，故选择了槽轮机构（槽轮机
构具有以下特点：构造简单，外形尺寸小；机械效率高，并能较平稳地，间歇地进行转位；但因传动时存在柔性冲击，故常用于速度不太高的场合；同时由于槽轮机构具有自行锁紧的功能，所以能用于此机构的定位作用。

）来实现上述要求。

6.4压盖封口机构的设计
如图6.5所示，是所设计的压盖封口机构，该机构为对心曲柄滑块机构，曲柄AB 与轴固接，轴的连续转动带动杆AB连续转动，从而带动杆BC上下运动，从而实现压盖封口机构的上下往复运动，转动一个工位就压盖封口一次，继而实现对瓶子的压盖封口动作。

图6.5压盖封口机构
有关此机构的数据如下：
①容器高度h1为280mm;
②齿轮与曲柄的转速为10r/min；
③曲柄AB长度L1=30mm，连杆BC长度L2=120mm，压制杆CD=60mm，瓶盖厚度=10mm；
④C处于最下极位时，D点距离容器瓶的距离为10mm；
⑤封口压盖滑块的行程S=60mm 。

综上所述，曲柄滑块的数据如下： ⑴曲柄长 AB =L 1=30mm ⑵连杆长 BC =L 2=120mm ⑶极位夹角θ=0°
⑷行程比 k=1
⑸最小传动角γmin=arcos(L 1/ L 2)= arcos(0.25)=72.52° 机构简图如图6.6：
图6.6机构简图
（1）速度分析
AB
B B L V V ⨯==112ω 2323B B B B V V V +=
BC pb L V BC B //333==ω
图6.7运动分析图
（2）受力分析如图所示
（a ） （b ） 图6.8受力分析
7.制定机械系统的运动循环图
7.1运动循环图
为了使灌装机各运动构件运动协调配合，设计了如下直线式动循环图7.1.
图7.1直线式运动循环图
7.2用形态学矩阵法创建旋转型灌装机机械系统运动方案：
图7.3所示的形态学矩阵可求出旋转型灌装机系统运动方案数为：N=4×4×4×3×3×4=2034
图7.2形态学矩阵
可由给定的条件，各机构的相容性，各机构的空间布置，类似产品的借鉴，上图折线为设计的最优方案。

8.机构运动简图
如图8.1所示
图8.1运动简图
设计总结
这次机械原理课程设计历时十天，时间上虽有些紧张，做设计的时候考虑的也并不周全，但我们利用这段时间巩固了所学的知识，把所学理论运用到实际设计当中，也充分的锻炼自己的创新能力。

在实际的设计过程中，我们也遇到了许多的困难，不过经过我们大家的团结努力，一点点克服了困难，最终设计出了自己的方案。

通过这次机械原理课程设计，掌握了一些常用执行机构、传动机构或简单机器的设计方法和过程，提高了我们综合运用机械原理课程理论的能力，培养了分析和解决一般机械运动实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和扩展，对以后的学习也奠定了一定的基础，使我们学得更加轻松，更加高效。

而且，在课程设计的过程中，我们学以致用，用学过的二维画图软件CAD来画出了一些简单的零件，虽然可能很不规范，但是对我们来说，已经把学到的点点滴滴知识都有所运用。

这也是一件非常令人有收获的事情了!
参考文献
[1]孙桓，陈作模，葛文杰编著，机械原理.[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2]裘建新.机械原理课程设计指导书.[M].北京：高等教育出版社，2008.
[3]陆凤仪. 机械原理课程设计.[M]. 北京：机械工业出版社，2002.
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